Procesul de acoperire și defecte ale bateriilor cu litiu

Procesul de acoperire și defecte ale bateriilor cu litiu

01

Influența procesului de acoperire asupra performanței bateriilor cu litiu

Acoperirea polară se referă în general la un proces de acoperire uniformă a suspensiei agitate pe un colector de curent și uscarea solvenților organici din suspensie. Efectul de acoperire are un impact semnificativ asupra capacității bateriei, rezistenței interne, duratei de viață și siguranței, asigurând o acoperire uniformă a electrodului. Selectarea metodelor de acoperire și a parametrilor de control au un impact semnificativ asupra performanței bateriilor litiu-ion, manifestat în principal în:

1) Controlul temperaturii de uscare pentru acoperire: Dacă temperatura de uscare este prea scăzută în timpul acoperirii, nu poate garanta uscarea completă a electrodului. Dacă temperatura este prea ridicată, aceasta se poate datora evaporării rapide a solvenților organici în interiorul electrodului, ducând la crăpare, decojire și alte fenomene pe acoperirea suprafeței electrodului;

2) Densitatea suprafeței de acoperire: Dacă densitatea suprafeței de acoperire este prea mică, este posibil ca capacitatea bateriei să nu atingă capacitatea nominală. Dacă densitatea suprafeței de acoperire este prea mare, este ușor să provocați risipă de ingrediente. În cazuri severe, dacă există o capacitate excesivă a electrodului pozitiv, se vor forma dendrite de litiu din cauza precipitațiilor de litiu, străpungând separatorul bateriei și provocând un scurtcircuit, prezentând un pericol pentru siguranță;

3) Dimensiunea acoperirii: Dacă dimensiunea acoperirii este prea mică sau prea mare, este posibil ca electrodul pozitiv din interiorul bateriei să nu fie acoperit complet de electrodul negativ. În timpul procesului de încărcare, ionii de litiu sunt încorporați din electrodul pozitiv și se deplasează în electrolitul care nu este complet acoperit de electrodul negativ. Capacitatea reală a electrodului pozitiv nu poate fi utilizată eficient. În cazuri severe, în interiorul bateriei se pot forma dendrite de litiu, care pot perfora cu ușurință separatorul și pot cauza deteriorarea circuitului intern;

4) Grosimea stratului de acoperire: Dacă grosimea stratului de acoperire este prea subțire sau prea groasă, aceasta va afecta procesul de rulare a electrodului ulterior și nu poate garanta consistența performanței electrodului bateriei.

În plus, acoperirea electrodului este de mare importanță pentru siguranța bateriilor. Înainte de acoperire, trebuie efectuată lucrări 5S pentru a se asigura că nu se amestecă particule, resturi, praf etc. în electrod în timpul procesului de acoperire. Dacă se amestecă resturi, se va produce un micro-scurtcircuit în interiorul bateriei, care poate duce la incendiu și explozie în cazuri grave.

02

Selectarea echipamentului de acoperire și a procesului de acoperire

Procesul general de acoperire include: derulare → îmbinare → tragere → controlul tensiunii → acoperire → uscare → corectare → controlul tensiunii → corectare → bobinare și alte procese. Procesul de acoperire este complex și există, de asemenea, mulți factori care afectează efectul de acoperire, cum ar fi precizia de fabricație a echipamentului de acoperire, netezimea funcționării echipamentului, controlul tensiunii dinamice în timpul procesului de acoperire, dimensiunea fluxului de aer în timpul procesului de acoperire. procesul de uscare și curba de control al temperaturii. Prin urmare, alegerea unui proces de acoperire adecvat este extrem de importantă.

Selecția generală a metodei de acoperire trebuie să ia în considerare următoarele aspecte, inclusiv: numărul de straturi de acoperit, grosimea acoperirii umede, proprietățile reologice ale lichidului de acoperire, precizia necesară a acoperirii, suportul sau substratul de acoperire și viteza de acoperire.

Pe lângă factorii de mai sus, este de asemenea necesar să se ia în considerare situația și caracteristicile specifice ale acoperirii electrodului. Caracteristicile acoperirii electrodului bateriei cu litiu-ion sunt: ​​① acoperire cu un singur strat cu două fețe; ② Acoperirea umedă a suspensiei este relativ groasă (100-300 μm) ③ Suspensia este un fluid non-newtonian cu vâscozitate ridicată; ④ Cerința de precizie pentru acoperirea filmului polar este mare, similară cu cea a acoperirii filmului; ⑤ Corp suport de acoperire cu o grosime de 10-20 μ Folie de aluminiu și folie de cupru de m; ⑥ În comparație cu viteza de acoperire a filmului, viteza de acoperire a filmului polar nu este mare. Ținând cont de factorii de mai sus, echipamentul general de laborator utilizează adesea tipul de racletă, bateriile de consum litiu-ion folosesc adesea tipul de transfer de acoperire cu role, iar bateriile de putere folosesc adesea metoda de extrudare cu fantă îngustă.

Acoperire cu racletă: Principiul de lucru este prezentat în Figura 1. Substratul foliei trece prin rola de acoperire și intră direct în contact cu rezervorul de nămol. Slam în exces este aplicat pe substratul foliei. Când substratul trece între rola de acoperire și racletă, spațiul dintre racletă și substrat determină grosimea acoperirii. În același timp, excesul de suspensie este îndepărtat prin răzuire și refluxat, formând o acoperire uniformă pe suprafața substratului. Principalele tipuri de răzuitoare sunt răzuitoarele cu virgulă. Răzuitorul cu virgulă este una dintre componentele cheie ale capului de acoperire. În general, este prelucrat de-a lungul generatricei pe suprafața rolei circulare pentru a forma o lamă ca o virgulă. Acest tip de racletă are rezistență și duritate ridicate, este ușor de controlat cantitatea de acoperire și precizia și este potrivit pentru șlamuri cu conținut ridicat de solide și vâscozitate ridicată.

Tip de transfer de acoperire cu rolă: rola de acoperire se rotește pentru a antrena șlam, ajustează cantitatea de transfer a șlamului prin spațiul dintre racleta cu virgulă și folosește rotația rolei din spate și a rolei de acoperire pentru a transfera șlam pe substrat. Procesul este prezentat în Figura 2. Acoperirea cu transfer de acoperire cu role implică două procese de bază: (1) Rotația rolei de acoperire antrenează suspensia să treacă prin golul dintre rolele de măsurare, formând o anumită grosime a stratului de suspensie; (2) O anumită grosime a stratului de suspensie este transferată pe folie prin rotirea rolei de acoperire și a rolei din spate în direcții opuse pentru a forma o acoperire.

Acoperire prin extrudare cu fantă îngustă: Ca tehnologie de acoperire umedă de precizie, așa cum se arată în Figura 3, principiul de lucru este că lichidul de acoperire este extrudat și pulverizat de-a lungul golurilor matriței de acoperire la o anumită presiune și debit și transferat pe substrat. . În comparație cu alte metode de acoperire, are multe avantaje, cum ar fi viteza de acoperire rapidă, precizie ridicată și grosime umedă uniformă; Sistemul de acoperire este închis, ceea ce poate împiedica pătrunderea poluanților în timpul procesului de acoperire. Rata de utilizare a șlamului este ridicată, iar proprietățile șlamului sunt stabile. Poate fi acoperit în mai multe straturi simultan. Și se poate adapta la diferite game de vâscozitate a șlamului și conținut de solide și are o adaptabilitate mai puternică în comparație cu tehnologia de acoperire prin transfer.

03

Defecte de acoperire și factori de influență

Reducerea defectelor de acoperire, îmbunătățirea calității și a randamentului acoperirii și reducerea costurilor în timpul procesului de acoperire sunt aspecte importante care trebuie studiate în procesul de acoperire. Problemele comune care apar în procesul de acoperire sunt capul gros și coada subțire, marginile groase pe ambele părți, pete întunecate, suprafața aspră, folie expusă și alte defecte. Grosimea capului și a cozii poate fi ajustată prin timpul de deschidere și închidere a supapei de acoperire sau a supapei intermitente. Problema marginilor groase poate fi îmbunătățită prin ajustarea proprietăților nămolului, golului de acoperire, debitului nămolului etc. Rugozitatea suprafeței, denivelările și dungile pot fi îmbunătățite prin stabilizarea foliei, reducerea vitezei, ajustarea unghiului aerului. cuțit etc.

Substrat - Slam

Relația dintre proprietățile fizice de bază ale șlamului și acoperirii: În procesul propriu-zis, vâscozitatea șlamului are un anumit impact asupra efectului de acoperire. Vâscozitatea suspensiei preparate variază în funcție de materiile prime ale electrodului, raportul de suspensie și tipul de liant selectat. Când vâscozitatea suspensiei este prea mare, acoperirea nu poate fi efectuată în mod continuu și stabil, iar efectul de acoperire este, de asemenea, afectat.

Uniformitatea, stabilitatea, efectele marginilor și suprafeței soluției de acoperire sunt influențate de proprietățile reologice ale soluției de acoperire, care determină în mod direct calitatea acoperirii. Analiza teoretică, tehnicile experimentale de acoperire, tehnicile cu elemente finite din dinamica fluidelor și alte metode de cercetare pot fi utilizate pentru a studia fereastra de acoperire, care este intervalul de operare a procesului pentru acoperirea stabilă și obținerea unei acoperiri uniforme.

Substrat - Folie de cupru și folie de aluminiu

Tensiunea de suprafață: Tensiunea superficială a foliei de aluminiu de cupru trebuie să fie mai mare decât tensiunea de suprafață a soluției acoperite, altfel soluția va fi dificil de răspândit plat pe substrat, rezultând o calitate slabă a acoperirii. Un principiu de urmat este ca tensiunea superficială a soluției de acoperit să fie cu 5 dine/cm mai mică decât cea a substratului, deși aceasta este doar o estimare aproximativă. Tensiunea superficială a soluției și a substratului poate fi ajustată prin ajustarea formulei sau a tratamentului de suprafață al substratului. Măsurarea tensiunii de suprafață între cele două ar trebui, de asemenea, să fie considerată un element de testare pentru controlul calității.

Grosimea uniformă: într-un proces similar cu acoperirea cu racletă, grosimea neuniformă a suprafeței transversale a substratului poate duce la grosimea neuniformă a stratului de acoperire. Deoarece în procesul de acoperire, grosimea acoperirii este controlată de spațiul dintre racletă și substrat. Dacă există o grosime mai mică a substratului pe orizontală, va trece mai multă soluție prin acea zonă, iar grosimea acoperirii va fi, de asemenea, mai groasă și invers. Dacă fluctuația grosimii substratului poate fi văzută de la indicatorul de grosime, fluctuația finală a grosimii filmului va indica și ea aceeași abatere. În plus, abaterea laterală a grosimii poate duce și la defecte la înfășurare. Deci, pentru a evita astfel de defecte, este important să se controleze grosimea materiilor prime

Electricitate statică: Pe linia de acoperire, pe suprafața substratului se generează multă electricitate statică atunci când este aplicată la derulare și trecerea prin role. Electricitatea statică generată poate absorbi cu ușurință aerul și stratul de cenușă de pe rolă, rezultând defecte de acoperire. În timpul procesului de descărcare, electricitatea statică poate provoca, de asemenea, defecte de aspect electrostatic pe suprafața acoperirii și, mai grav, poate provoca chiar incendii. Dacă umiditatea este scăzută iarna, problema de electricitate statică pe linia de acoperire va fi mai proeminentă. Cea mai eficientă modalitate de a reduce astfel de defecte este menținerea umidității ambientale cât mai ridicată posibil, împământarea firului de acoperire și instalarea unor dispozitive antistatice.

Curățenia: Impuritățile de pe suprafața suportului pot provoca unele defecte fizice, cum ar fi proeminențe, murdărie, etc. Deci, în procesul de producție a substraturilor, este necesar să se controleze bine curățenia materiilor prime. Rolele de curățare a membranei online sunt o metodă relativ eficientă pentru îndepărtarea impurităților din substrat. Deși nu toate impuritățile de pe membrană pot fi îndepărtate, aceasta poate îmbunătăți în mod eficient calitatea materiilor prime și poate reduce pierderile.

04

Harta defectelor stâlpilor bateriilor cu litiu

【1】 Defecte de bule în acoperirea electrodului negativ al bateriilor litiu-ion

Placa cu electrod negativ cu bule în imaginea din stânga și mărirea de 200x a microscopului electronic cu scanare în imaginea din dreapta. În timpul procesului de amestecare, transport și acoperire, praful sau flocurile lungi și alte obiecte străine se amestecă în soluția de acoperire sau cad pe suprafața acoperirii umede. Tensiunea superficială a acoperirii în acest punct este afectată de forțele externe, provocând modificări ale forțelor intermoleculare, ducând la un transfer ușor al suspensiei. După uscare, se formează semne circulare, cu un centru subțire.

【2】 Pinhole

Una este generarea de bule (proces de agitare, proces de transport, proces de acoperire); Defectul pinhole cauzat de bule este relativ ușor de înțeles. Bulele din filmul umed migrează de la stratul interior la suprafața filmului și se rup pe suprafață pentru a forma un defect de orificiu. Bulele provin în principal din fluiditatea slabă, nivelarea slabă și eliberarea slabă a bulelor în timpul proceselor de amestecare, transport lichid și acoperire.

【3】 Zgârieturi

Cauze posibile: obiectele străine sau particulele mari care se blochează în golul îngust sau spațiul de acoperire, calitatea slabă a substratului, provocând obiecte străine care blochează spațiul de acoperire dintre rola de acoperire și rola din spate și deteriorarea buzei matriței.

【4】 Marginea groasă

Motivul formării marginilor groase este determinat de tensiunea superficială a nămolului, care face ca nămolul să migreze spre marginea neacoperită a electrodului, formând margini groase după uscare.

【5】 Particule agregate pe suprafața electrodului negativ

Formula: Grafit sferic+SUPER C65+CMC+apă distilată

Macromorfologia polarizatoarelor cu două procese diferite de agitare: suprafață netedă (stânga) și prezența unui număr mare de particule mici pe suprafață (dreapta)

Formula: Grafit sferic+SUPER C65+CMC/SBR+apă distilată

Morfologie mărită a particulelor mici de pe suprafața electrodului (a și b): Agregate de agenți conductivi, nedispersați complet.

Morfologie mărită a polarizatorilor cu suprafață netedă: agentul conductor este complet dispersat și distribuit uniform.

【6】 Particule aglomerate pe suprafața electrodului pozitiv

Formula: NCA+negru de acetilenă+PVDF+NMP

În timpul procesului de amestecare, umiditatea mediului este prea mare, ceea ce face ca suspensia să devină ca gelatină, agentul conductor nu este complet dispersat și există un număr mare de particule pe suprafața polarizatorului după rulare.

【7】 Fisuri în plăcile polare ale sistemului de apă

Formula: NMC532/negru de fum/liant=90/5/5% în greutate, solvent apă/izopropanol (IPA)

Fotografii optice ale fisurilor de suprafață ale polarizatoarelor, cu densități de acoperire de (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 și, respectiv, (d) 25 mg/cm2. Polarizatoarele groase sunt mai predispuse la fisuri.

【8】 Contracție pe suprafața polarizatorului

Formula: fulgi de grafit+SP+CMC/SBR+apă distilată

Prezența particulelor poluante pe suprafața foliei are ca rezultat o zonă de tensiune superficială scăzută a filmului umed pe suprafața particulelor. Filmul lichid emite și migrează spre periferia particulelor, formând defecte ale punctului de contracție.

【9】 Zgârieturi pe suprafața electrodului

Formula: NMC532+SP+PVdF+NMP

Acoperire de extrudare cu cusături înguste, cu particule mari pe muchia de tăiere care provoacă scurgeri de folie și zgârieturi pe suprafața electrodului.

【10】 Acoperire dungi verticale

Formula: NCA+SP+PVdF+NMP

În etapa ulterioară a acoperirii prin transfer, vâscozitatea de absorbție a apei a nămolului crește, apropiindu-se de limita superioară a ferestrei de acoperire în timpul acoperirii, rezultând o nivelare slabă a nămolului și formarea de dungi verticale.

【11】 Rolați fisuri de presare în zona în care filmul polar nu este complet uscat

Formula: fulgi de grafit+SP+CMC/SBR+apă distilată

În timpul acoperirii, zona de mijloc a polarizatorului nu este complet uscată, iar în timpul rulării, acoperirea migrează, formând fisuri în formă de bandă.

【12】 Ridurile marginilor de presare cu role polar

Fenomenul marginilor groase formate prin acoperire, presare cu role și încrețirea marginilor de acoperire

【13】 Înveliș de tăiere cu electrod negativ desprins de folie

Formula: grafit natural+negru de acetilenă+CMC/SBR+apă distilată, raport substanță activă 96%

Când discul polar este tăiat, stratul și folia se desprind.

【14】 Bavuri de tăiere a marginilor

În timpul tăierii discului cu electrod pozitiv, controlul instabil al tensiunii duce la formarea de bavuri de folie în timpul tăierii secundare.

【15】 Marginea undă de tăiere a feliei polare

În timpul tăierii discului cu electrod negativ, din cauza suprapunerii și presiunii inadecvate a lamelor de tăiere, se formează marginile ondulate și desprinderea acoperirii inciziei.

【16】 Alte defecte comune ale acoperirii includ infiltrarea aerului, valuri laterale, slăbire, râu, expansiune, deteriorarea apei etc.

Defecte pot apărea în orice etapă de prelucrare: pregătirea acoperirii, producerea substratului, operarea substratului, zona de acoperire, zona de uscare, tăierea, tăierea, procesul de laminare etc. Care este metoda logică generală pentru rezolvarea defectelor?

1. În timpul procesului de la producția pilot până la producție, este necesar să se optimizeze formula produsului, procesul de acoperire și uscare și să se găsească o fereastră de proces relativ bună sau largă.

2. Utilizați unele metode de control al calității și instrumente statistice (SPC) pentru a controla calitatea produselor. Prin monitorizarea și controlul online a grosimii stabile a stratului de acoperire sau prin utilizarea unui sistem de inspecție vizuală a aspectului (Visual System) pentru a verifica dacă există defecte pe suprafața acoperirii.

3. Când apar defecte ale produsului, ajustați procesul în timp util pentru a evita defectele repetate.

05

Uniformitatea acoperirii

Așa-numita uniformitate a acoperirii se referă la consistența distribuției grosimii acoperirii sau a cantității de adeziv în zona de acoperire. Cu cât este mai bună consistența grosimii acoperirii sau cantitatea de adeziv, cu atât este mai bună uniformitatea acoperirii și invers. Nu există un indice de măsurare unificat pentru uniformitatea acoperirii, care poate fi măsurat prin abaterea sau deviația procentuală a grosimii acoperirii sau a cantității de adeziv în fiecare punct dintr-o anumită zonă în raport cu grosimea medie a acoperirii sau cantitatea de adeziv din acea zonă, sau prin diferența dintre grosimea maximă și minimă a stratului de acoperire sau cantitatea de adeziv într-o anumită zonă. Grosimea acoperirii este de obicei exprimată în µm.

Uniformitatea acoperirii este utilizată pentru a evalua starea generală de acoperire a unei zone. Dar în producția reală, de obicei ne pasă mai mult de uniformitatea atât în ​​direcția orizontală, cât și în cea verticală a substratului. Așa-numita uniformitate orizontală se referă la uniformitatea direcției lățimii acoperirii (sau a direcției orizontale a mașinii). Așa-numita uniformitate longitudinală se referă la uniformitatea în direcția lungimii acoperirii (sau direcția de deplasare a substratului).

Există diferențe semnificative în ceea ce privește dimensiunea, factorii de influență și metodele de control ale erorilor de aplicare a adezivului orizontal și vertical. În general, cu cât lățimea substratului (sau a acoperirii) este mai mare, cu atât este mai dificil să controlezi uniformitatea laterală. Pe baza de ani de experiență practică în acoperirea online, atunci când lățimea substratului este sub 800 mm, uniformitatea laterală este de obicei ușor garantată; Când lățimea suportului este între 1300-1800mm, uniformitatea laterală poate fi adesea bine controlată, dar există o anumită dificultate și se cere un nivel considerabil de profesionalism; Când lățimea substratului este peste 2000 mm, controlul uniformității laterale este foarte dificil și doar câțiva producători se pot descurca bine. Când lotul de producție (adică lungimea acoperirii) crește, uniformitatea longitudinală poate deveni o dificultate sau o provocare mai mare decât uniformitatea transversală.